上海地區(qū)小型深基坑變形性狀實(shí)測(cè)分析

劉冬冬 徐世洪 周 鑫 楊檸菠 田 旭

中建三局成都分公司 四川 成都 610041

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，在密集建筑群中，連接各地下空間的連通通道也不斷涌現(xiàn)。這些通道基坑一般具有規(guī)模小、施工條件不便、地質(zhì)條件差等特點(diǎn)；同時(shí)，基坑周邊環(huán)境較為復(fù)雜，常存在大型建筑以及大量的地下市政管線，這些管線受基坑開挖影響較大[1-2]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形以及基坑開挖對(duì)周邊地層和管線影響做了大量的研究[3-5]。在時(shí)間效應(yīng)方面，劉建航等[6]以軟土地區(qū)基坑為研究對(duì)象，闡述了基坑變形機(jī)制，并總結(jié)了基坑變形的計(jì)算方法。Hsieh等[7]根據(jù)中國(guó)臺(tái)灣10個(gè)基坑工程實(shí)例提出了三角形和凹槽形2種墻后地表沉降形態(tài)的預(yù)測(cè)曲線；2011年，Ou等[8]對(duì)該曲線進(jìn)行修正。張陳蓉等[9]基于位移控制理論，對(duì)板式支護(hù)體系由于基坑而引起的周邊自由土體位移場(chǎng)的分布規(guī)律進(jìn)行了探討，并基于地下管線的自身承受能力，提出了基坑開挖對(duì)管線保護(hù)的變形控制標(biāo)準(zhǔn)。袁小平等[10]采用三維有限元對(duì)基坑未加支撐、加支撐、支撐剛度及周圍土體的彈性模量和支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度等因素對(duì)管線的影響進(jìn)行了研究。

本文基于上海市虹橋03北地塊地下連接通道基坑施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了連續(xù)開挖基坑施工過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移、坑外地表沉降的變化規(guī)律，并提出了減小變形的措施，以期為類似工程的設(shè)計(jì)和施工提供借鑒。

1 工程概況

新建連通道位于上海市虹橋03北地塊，該通道下穿申虹路，連接本地塊項(xiàng)目1與項(xiàng)目2的地下2層空間。申虹路為已完工的市政道路，施工場(chǎng)地下方有較多雨水、污水、信息等市政管線，在申虹路連通道基坑施工前，已將申虹路連通道區(qū)域內(nèi)的管線搬遷至項(xiàng)目2場(chǎng)地內(nèi)。工程為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)30.2 m、寬36.6 m，結(jié)構(gòu)層高6.95 m，基礎(chǔ)底板厚度為1.0 m，梁板混凝土強(qiáng)度等級(jí)C35，抗?jié)B等級(jí)為P8?；映示匦危娣e約1 167 m2，基坑挖深為13.30～14.50 m（圖1）。

圖1 基坑平面及測(cè)點(diǎn)布置

2 水文地質(zhì)概況

由勘察得到地表以下32.04 m范圍內(nèi)為第四系河口、濱海、淺海、沼澤相沉積層，由黏性土、粉性土以及砂土組成，具有成層分布的特點(diǎn)。按其沉積年代、成因類型及其物理力學(xué)性質(zhì)的差異可劃分為6個(gè)主要層次，依次為：①雜填土、②粉質(zhì)黏土、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④淤泥質(zhì)黏土、⑤黏土和粉質(zhì)黏土、⑥粉質(zhì)黏土。

擬建場(chǎng)地淺部潛水水位動(dòng)態(tài)變化主要受控于大氣降水和地面蒸發(fā)，因此潛水水位高低主要取決于降雨量的大小和雨期持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短，水位呈季節(jié)性波動(dòng)。根據(jù)上海市工程建設(shè)規(guī)范DGJ 08-37—2012《巖土工程勘察規(guī)范》，年均地下水高水位埋深為0.50 m，低水位埋深為1.50 m，擬建場(chǎng)地⑦層為上海地區(qū)第一承壓含水層，主要受垂直向越流補(bǔ)給。根據(jù)上海地區(qū)區(qū)域資料，承壓水水頭一般為地面下3～11 m，呈周期性變化。根據(jù)本次勘察于第一承壓含水層⑦層中布設(shè)的承壓水觀測(cè)孔的水位觀測(cè)資料，勘察期間實(shí)測(cè)場(chǎng)地第⑦層承壓水水頭埋深在7.23～7.32 m之間，其相應(yīng)標(biāo)高在－3.54～－2.54 m之間。

根據(jù)上海市工程建設(shè)規(guī)范，按第⑦層最高承壓水位埋深3.0 m，最淺頂板埋深29.7 m（G22孔），基坑開挖深度13.1 m驗(yàn)算，其抗承壓水頭的穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.11，大于1.05的安全系數(shù)要求，故基坑開挖時(shí)可不考慮場(chǎng)地第一承壓水層對(duì)本工程的影響。

3 支護(hù)方案和施工流程

3.1 支護(hù)方案

本工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工主要涉及鉆孔灌注樁（包括鋼立柱）、三軸攪拌樁止水帷幕、高壓旋噴樁加固。

本連接通道的東西兩側(cè)為D15、D21地塊既有地下連續(xù)墻，厚800 mm、深36 m（該圍護(hù)墻體為D21及D15地塊原有圍護(hù)結(jié)構(gòu)）；南北兩側(cè)皆為φ950 mm@1 150 mm鉆孔灌注樁圍護(hù)墻，樁長(zhǎng)30.6～31.5 m，外側(cè)采用φ850 mm@600 mm三軸攪拌樁止水帷幕；灌注樁與D21及D15地塊地下連續(xù)墻間采用旋噴樁密實(shí)止水，深入坑底下約7 m。

支撐體系采用3道鋼筋混凝土對(duì)撐，鋼筋混凝土支撐斷面主要尺寸有800 mm×800 mm、700 mm×900 mm、1 200 mm×900 mm、1 300 mm×900 mm等；非取土平臺(tái)下格構(gòu)柱截面尺寸為420 mm×420 mm，采用4∠140 mm×14 mm，取土平臺(tái)下格構(gòu)柱截面尺寸為420 mm×420 mm，采用4∠160 mm×16 mm，角鋼鋼材均為Q345B；本工程立柱樁采用工程樁。

3.2 施工流程

樁基、圍護(hù)施工→開槽施工頂圈梁及第1道混凝土支撐→第1道支撐達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，開挖至第2道支撐底，施工圍檁及第2道支撐→第2道支撐施工完畢后，開挖至第3道支撐底，施工圍檁及第3道支撐→第3道支撐施工完畢后開挖至坑底并及時(shí)澆筑素混凝土墊層→澆筑地道B2板（底板），待達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，拆除第3道支撐→澆筑剩余地道結(jié)構(gòu)→鑿除第2道支撐下方兩側(cè)地塊的地下連續(xù)墻，澆筑地塊與地道連接段結(jié)構(gòu)→待地道和連接段達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，拆除第2道支撐→回填土至第1道支撐底，拆除支撐，管線回搬、恢復(fù)路面。

4 監(jiān)測(cè)方案

以基坑施工區(qū)域周圍2倍基坑開挖深度范圍內(nèi)的地下管線和基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)本身，以及基坑周邊2倍挖深范圍內(nèi)的地面沉降，作為本工程監(jiān)測(cè)及保護(hù)的對(duì)象。

本基坑工程主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容為：

1）鉆孔灌注樁頂水平和垂直位移監(jiān)測(cè)（測(cè)點(diǎn)Q）、鉆孔灌注樁墻身水平位移監(jiān)測(cè)（墻體測(cè)斜，測(cè)點(diǎn)C）。

2）墻后地表沉降監(jiān)測(cè)：在基坑周圍布置2組測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)基坑周圍地表的變形，編號(hào)為D24-1～D24-4和D25-1～D25-4。

3）支撐軸力監(jiān)測(cè)：在基坑施工時(shí)在基坑內(nèi)部各道支撐上布置支撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)ZC）。

5 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

5.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移

從測(cè)點(diǎn)C23處各個(gè)施工階段圍護(hù)樁水平位移沿深度方向的變化（圖2）可以看出，圍護(hù)樁樁身水平位移在各施工階段的變化規(guī)律相同。首先樁身水平位移在深度方向表現(xiàn)為上下兩端小、中間大的規(guī)律，整體表現(xiàn)為“紡錘狀”，和以往學(xué)者得出的有支撐基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律相同。其次，樁身水平位移在基坑開挖過程中不斷變大，其中深層土體的開挖對(duì)樁身水平位移的影響比開挖淺層土體顯著。同時(shí)，隨著開挖深度的不斷增加，樁身水平位移最大值位置也逐漸下降，但在底板澆筑完成前，雖然樁身水平位移有較大增加，但最大值位置有所上升。另外，由圖2還可以看出底板澆筑有效地抑制了圍護(hù)樁樁身水平位移的增加。

圖2 C23測(cè)點(diǎn)測(cè)斜曲線

從樁身水平位移最大值（δm）與開挖深度（He）的關(guān)系（圖3）中可以看出，本基坑圍護(hù)樁水平位移最大值的變化范圍為（－0.004 5＋0.001 5He）～（0.006 0＋0.001 5He）。對(duì)于華東軟土地區(qū)深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形性狀，目前已有一些學(xué)者進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。王衛(wèi)東等[5]得出的上海地區(qū)采用鉆孔灌注樁圍護(hù)的基坑樁身水平位移最大值（δm）的變化范圍為（0.10%～1.00%）He，其上下限值均大于本工程相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)（開挖深度較小時(shí)除外），表明本工程采用的圍護(hù)方案將基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移值控制在合理的范圍之內(nèi)。

5.2 圍護(hù)樁樁頂垂直位移

由圍護(hù)樁樁頂垂直位移與基坑開挖深度之間的關(guān)系（圖4）可以看出，隨著基坑開挖深度的增加，圍護(hù)樁樁頂垂直位移也不斷增加，且在基坑開挖過程中，圍護(hù)樁樁頂垂直位移位于（0.015%～0.100%）He之間，除開挖深度較小時(shí)部分點(diǎn)外，大部分位于（0.015%～0.100%）He范圍內(nèi)。在開挖深度較小時(shí)，兩者之間比例系數(shù)小于開挖深度較大時(shí)的比例系數(shù)，這是由于隨著基坑開挖深度的增加，主動(dòng)區(qū)側(cè)向土壓力逐漸增大，而開挖面以上的支撐限制圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的能力相對(duì)減弱，且開挖土層也逐漸由粉土進(jìn)入淤泥質(zhì)黏土層，因此圍護(hù)樁垂直位移與開挖深度比例系數(shù)逐漸增大。

圖3 圍護(hù)樁樁身最大側(cè)移與開挖深度關(guān)系

圖4 圍護(hù)樁樁頂垂直側(cè)移 與開挖深度關(guān)系

5.3 墻后地表沉降

由監(jiān)測(cè)點(diǎn)D24和D25處墻后地表沉降值隨基坑開挖的變化（圖5、圖6）可以發(fā)現(xiàn)，墻后地表沉降在基坑開挖的各個(gè)階段，基本表現(xiàn)出相似的變形規(guī)律，即在距離基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)較近的位置處達(dá)到最大值，之后隨著距離的增加，地表沉降逐漸減小，具體表現(xiàn)形式為地表沉降出現(xiàn)明顯的沉降槽；同時(shí)各測(cè)點(diǎn)的地表沉降均隨著開挖深度的加深而變大；最后，底板澆筑完成后的沉降曲線顯示，澆筑底板可以有效地抑制墻后地表的沉降。

圖5 D24地表沉降曲線

圖6 D25地表沉降曲線

從D24和D25組測(cè)點(diǎn)中最大地表沉降隨時(shí)間變化曲線（圖7）可以看出，2組測(cè)點(diǎn)處最大地表沉降在基坑開挖前期（55 d之前）隨著時(shí)間的推移近似呈線性變化，2組測(cè)點(diǎn)處最大地表沉降數(shù)值和變化規(guī)律基本一致，這主要是由于2組測(cè)點(diǎn)位于基坑的對(duì)稱位置，有相同的圍護(hù)條件和空間條件。在底板澆筑完成后（55 d），地表沉降基本不再變化，可見墻后地表沉降在地板澆筑后得到了有效的控制。

圖7 D24和D25組測(cè)點(diǎn)中最大地表沉降隨時(shí)間變化

6 結(jié)語

基于上海一地下通道小型深基坑工程的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合上海軟土基坑變化規(guī)律，對(duì)上海地區(qū)小型軟土深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形、地表沉降做了全面的分析，得出以下結(jié)論：

1）圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移表現(xiàn)為上下兩端小、中間大的規(guī)律，且隨工況而變大?；訃o(hù)樁水平位移最大值的變化范圍為（－0.004 5＋0.001 5He）～（0.006 0＋0.001 5He）。

2）隨著基坑開挖深度的增加，圍護(hù)樁樁頂垂直位移也不斷增加，且在基坑開挖過程中，圍護(hù)樁樁頂垂直位移位于（0.015%～0.100%）He之間。

3）地表沉降出現(xiàn)明顯的沉降槽，底板澆筑完成后的沉降曲線顯示，澆筑底板可有效地抑制墻后地表的沉降。